hava tüneli
Hava akışının bir cisim üstündeki etkisini incelemekte kullanılan deney aracı. Hava tünelinden (ya da rüzgâr tüneli) içine yerleştirilen gerçek ya da küçültülmüş boyutlardaki parça ve araçların aerodinamik niteliklerinin, denetlenebilen koşullar altında denenmesinde yararlanılır.
Eskiden yalnızca uçak gövdelerinin aerodinamik biçimlerinin denetiminde kullanılan hava tünellerinden, günümüzde hem mermilerin ve karademiryolu taşıtlarının biçimlerinin belirlenmesinde,hem de yüksek yapıların, köprülerin, güç iletim hatlarının ve radar tarayıcılarının rüzgâr yükleri ile salınımlarını incelemede yararlanılır. Hava tünellerinin öbür uygulamaları arasında, gemi ve depolardan sıvı gazların güvenlikle boşaltılması için, yüksek binaların çevresinde oluşan rüzgâr girdaplarının incelenmesi için, karayollarının bulunduğu bölgelere yağan karın ne biçimde biriktiğinin araştırılması için yapılan deneyler sayılabilir.
Model yapımı. Wright Kardeşler’in 17 Aralık 1903’te gerçekleştirdikleri uçuş, yoğun bir araştırma programının sonucuydu. Uçakları uçurarak deneme yönteminin çok yavaş ilerlemesinden umutsuzluğa kapılan Wright kardeşler, 1901 yılının sonlarına doğru yaptıkları hava tünelinde, iki ay içinde 200’den çok aerodinamik modeli denediler. Her modelin biçimi ile kesiti farklıydı ve her biri rüzgârın 0-45 derece arasında değişen 13 ayrı geliş açısında deneniyordu.
Wright Kardeşler, modele etki eden güçleri bulduktan sonra, havanın yoğunluğunu, boyutların karesini ve rüzgâr hızının karesini göz önüne alarak (tıpkı günümüzde olduğu gibi) kullandıkları oranlarla (gerçek boyutların model boyutlarına oranı), gerçek güçleri (uçuş hızında gerçek !؛:anada etki eden güçler) hesapladılar.
Yapılan deneyler, geçerli sonuçlara varmak için, belirli model yapımı kurallarına uyma gereğini ortaya koymuştur. Sözgelimi, eğri yüzeyli modelleri içeren denemelerde, sınır tabakanın uygun biçimde oluşturulabilmesi için, Reynolds sayısının gerçek koşullardakine yakın seçilmesi gerekir. Sınır tabaka, cismin yüzeyine en yakın hava tabakasıdır. Bu tabakada akışkanlık güçleri, eylemsizlik güçlerinden daha etkilidir. Sınır tabakasıysa, eylemsizlik güçlerinin akışkanlık güçlerine oranını gösteren boyutsuz bir sayıdır ve havanın akış hızı X cismin büyüklüğü X havanın yoğunluğu havanın akışkanlığı formülüyle hesaplanır. Genellikle gerçek boyutlardan daha küçük modeller kullanıldığından, deneyin Reynolds sayısı da, gerçek durumdakinden küçük olur. Bu sayıyı artırmanın bir yolu, ortamın sıcaklığını artırmaktır. Böylece yoğunluk artar, ama akışkanlık etkilenmez. Aşırı koşullarda, akışkan olarak ağır bir gaz olan freon kullanılarak, daha yüksek Reynolds sayıları elde edilebilir.
Sıkıştırılabilir akışın söz konusu olduğu deneylerde (yani, havanın cismin yanından geçiş hızının basıncı, dolayısıylada yoğunluğu büyük ölçüde değiştirdiği durumlarda), gerçek durumdaki Mach sayısının kullanılması gerekir. Mach sayısı, aracın hızının o ortamdaki ses hızına oranıdır ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Deneylerde pervane, helikopter rotoru ya da radar tarayıcıları gibi öğelerin dönüşü söz konusu olduğu zaman avans oranının (rotor ucu hızının, rüzgâr hızına oranı) da, gerçek koşullardakinin’aynı olması gerekir.
Yapım özellikleri. Sürekli çalışan rüzgâr tünellerinin çoğunda, elektrikle çalışan vantilatör ya da türbin bulunur. Bu tür araçlar, hava akımına açısal momentum kazandırarak, istenmeyen girdaplar oluştururlar. Girdapları önleme amacıyla, dönmeyi engelleyici kanatlar kullanılır. Geriye kalan küçük girdaplar da, türbinlerden sonra yeralan düzeltici kanatlarla giderilir.
Hava tünelinin içindeki güç yitimi, çalışma hızının üçüncü gücüyle orantılı olarak artar. Bu yüzden hava tünelleri, çalışma bölümü (modellerin denendiği kesim) dışında, havanın akış hızı elden geldiğince düşük tutulacak biçimde yapılır. Akış hızını azaltma amacıyla, kesitleri hafifçe genişleyen borulardan oluşan difüzör- Ier (lüleler) kullanılır. İşlem sırasında statik hava basıncı, Bernoulli denklemine uygun olarak (bu denklem, içinde enerjinin korunduğu bir sistemdeki akışkanın kinetik ve potansiyel enerjileri arasındaki bağıntıyı verir) artar. Keskin köşeler, hava akımını en az yitimle düzgün biçimde döndürmek için, köşe kanatlarda¡ donatılmıştır. Türbine yöneltilen gücün aşağı yukarı tümü ısıya dönüştüğünden, yüksek güçlü, sürekli çalışan hava tünellerinde, soğutma borularına da gerek duyulur.
Hava bundan sonra, düzelme bölümüne geçer. Bu bölümde, tel örgüye benzeyen düzeltici kafesler, düzgün akışı sağlarlar. Düzelme bölümü, bir “daralma” (ya da “memeyle çalışma”) bölümüne açılır.
Aralıklı çalışan tünellerde, sıkıştırılmış hava, uzun süre biriktirildikten sonra, yuvarlak bir boruyu çevreleyen halka biçimli yarıktan dışarı püskürtülür. Bu sistem, kısıtlı bir süre için boruda yüksek akış hızı sağlamaya elverişlidir. Çok yüksek hızlar içinse (sesötesi: Mach 5’ten daha yüksek), yüksek basınç oranları gerekir (bu, tünelin girişi ile çıkışındaki mutlak basınçların oranıdır). Bu tür basınçlara erişmenin en etkili yolu, çıkış basıncını azaltmak için, tünelin çıkış bölümüne, havası boşaltılmış küreler bağlamaktır.
Çalışma bölümleri. Birçok hava tünelinde, hava akışını hareketsiz duvarlar arasında sınırlayan, kapalı çalışma bölümleri vardır. Aerodinamik deneyleri sırasında duvarlar, modelin çevresinden geçen akım çizgilerinin eğriliğini kısıtlarlar ve ölçülen kaldırma gücünü biraz artırırlar. Bu yüzden, ölçümlerin sonradan, bu hatayı giderecek yönde düzeltilmesi gerekir. Söz konusu ayarlamalara, sınır düzeltmeleri adı verilir.
Bazı hava tünellerinde, modelin yakınsak bir lüle ile öbür yandaki büyük toplayıcı arasındaki boşlukta denenmesine izin veren, açıkakışlı çalışma bölümleri vardır. Duvarların bulunmaması, bu bölümlere girişi kolaylaştırır; ama hava akımının kenarlarında oluşan girdap yitimlerini gidermek için, ek güç gerekir. Açık akışlı sistemlerde, cismin çevresindeki akış çizgileri hafifçe abartılır; ölçülen kaldırma gücü de, gerçekten biraz daha az olur. Bu gibi durumlarda ters işaretli sınır düzeltmeleri gerekir.
Duvarlarında yarıklar bulunan çalışma bölümleri,sınır düzeltmeleri gereğini ortadan kaldırabilir. Bu tür düzenle, istenmeyen şok dalgalarının oluşması da önlenir.
Hızın, ses hızına (Mach 1) yaklaştığı durumlarda, alışılmış kapalı çalışma bölümleri kullanılamaz; çünkü en küçük modeller bile, anmalara yol açar. Tıkanma, modele bağlıymışçasına birlikte sürüklenen ve hava akışının düzgünlüğünü bozan şok dalgasından kaynaklanır. Açık hava tünellerindeyse, yüksek hızlarda (Mach
0,9 ile 1,2 arasında, yani sesaşırı bölgede), akışta dalgalanmalar görülebilir. Bu durumlarda, sesüstü (Mach ٦ ‘den büyük) hava tünellerinden edinilen deneyimlere göre geliştirilen özel tekniklerden yararlanılır.
Sesüstü hava tünelleri. Sesüstü deneylerde yakınsakıraksak bir lüle kullanılır. Bu lülenin çalışması, gazların akışını belirleyen yasaların özel bir sonucuna dayanır. Gazlar, daralan bir borudan basınçla geçirildikleri za- man ses hızına kadar hızlandırılabildikleri halde, hızın daha da artırılması, ancak boru alanının bundan sonra genişlemesiyle olanaklıdır.
Bütün boru boyunca değişmez bir kütle akışı sağlanması amacıyla, sesüstü genişlemeye, statik basınç ile sı- caklığın da düşmesi yüzünden, gazın yoğunluğunun azalması eşlik eder. Genişleyen gazın sıcaklığının düşmesi ilkesinden, buzdolaplarında yararlanılır. Gazı ansızın sıkıştırmak (ve böylece ısıtmak) için nasıl enerji vermek gerekire, ansızın genişleyen bir gaz da aynı biçimde enerji verir. Bu enerji gazdan, ısı halinde alınır.
Gaz genişlediği zaman, yalnızca akış hızı yükselmekle kalmaz, buna eşlik eden sıcaklık düşmesine bağlı olarak, ortamdaki ses hızı da azalır. Böylece Mach sayısı, iki yönden de artar. Yüksek sesüstü hızlarda (Mach 2 ve daha yüksek), sîcaklığın, dolayısıyla da ortamda ses hızının azalması, yüksek Mach sayılarına ulaşmayı sağlayan başlıca etmendir.
Uygulanan basınç oranları yükseldikçe, yakınsak- ıraksak lülenin boğaz kesiminde bir şok dalgası oluşur. Mach sayısının değeri 1’ken oluşan bu dalga, öngörü- len basınç oranına ulaşılıncaya kadar, daralan bölüme doğru ilerler. Orada dalga, çok daha karmaşık bir yapı kazanır ve sondaki paralel bölümde, öngörülen Mach sayısında düzgün akan gazlara öncülük eder. Daha ileri bir bölümde ortaya çıkan bir başka şok dalgası da, akı- şın yeniden sesaltı (Mach ٦ ‘den küçük) hızlara döndü- ğünü gösterir.
Ses hızının belirli katlarını elde etmek için ya değiştirilebilen ve çalışma bölümüne takılan sesüstü laynerler ya da her Mach sayısı için biçimi değiştirilen esnek duvarlı lüleler kullanılması gerekir.
Modem hava tünellerinde, oluklu ve yarıklı duvarların ilerisinde, dikkatle biçimlendirilmiş esnek duvarlar yeralır. Oluklu duvar, akan gazların bir bölümünü emerek, büyük modeller için bile, her Mach sayısında düz- gün, tıkanmayan bir akış sağlar.
Sesötesi hava tünellerinin sesüstü hava tünellerin- den farkı, sesötesi tünellerde sesötesi Mach değerleri- ne erişildiği zaman gaz sıcaklığının ansızın düşmesi sıra- sında gazın sıvılaşmasını önleme amacıyla, havanın (ya da gazın), 700 dereceye kadar ısıtılması olanaklarının bulunmasıdır.
Gözlem aygıtları. Yapımcıların, modele etki eden güç- leri ve ortamdaki hava basınçlarını ölçmelerinin yanı sıra, akışın türü konusunda da edinmeleri gerekir. Sözgelimi akış, girdaplı ya da düzgün olabilir. Ayrıca yönü de önemlidir. Akışa ilişkin bilgileri görerek edin- menin çeşitli yollan vardır: Duman salıcılar; tüyler; gö- rüntülemeye yardımcı teknikler; vb.
Duman salma amacıyla, modelden çalışma bölümüne doğru uzanan bölgeye, bir sıra ince boru yerleştirilir. Parafin yağı ısıtılarak kalın, beyaz bir duman elde edilir ve bu borulara gönderilir (sahne efektlerinde kullanılan yönteme benzer biçimde). Yaygın olarak kullanılan bu yöntemin bazı uygulamalarında, duman yerine, hel- yum doldurulmuş “sabun” balonlarından yararlanılır.
En yalın izleme aracı, tüylerdir. Bunlar, modelin üstüne belirli aralıklarla yapıştırılır. Tüyler, sürüklenme oranlan ağırlıklarına göre büyük olduğundan, düşük hızlarda bile havanın akışına kapılırlar. Ne var ki, bir hız değişikliğinin bulunduğu yerlerde daha hızlı olan akışa kapılarak, gerçek akış çizgilerini gizlemek gibi önemli bir sakıncaları vardır.
Görüntülemeye yardımcı teknikler, sıkışabilir akış türlerine kolaylıkla uygulanabilir. Hava yoğunluğunda ortaya çıkan değişiklikler, havanın kırılma indisini de değiştirerek, fotoğraf çekimini olanaklı kılar.